Программа по физике для бакалавров педобразования

ПРОГРАММА
государственного экзамена по физике
для бакалавриата по направлению
«Педагогическое образование», профиль «Физика»
1. Механика
Введение. Предмет механики.
Кинематика материальной точки. Движение, относительность движения.
Система отсчета. Материальная точка, радиус-вектор, векторы перемещения,
скорости, ускорения. Закон движения, траектория и пройденный путь.
Равномерное и равноускоренное движения. Движение по окружности. Связь
линейных и угловых кинематических величин. Векторы угловой скорости и
углового ускорения. Колебательное движение. Гармонические колебания.
Сложение колебаний одного направления с одинаковыми частотами. Биения.
Метод векторных диаграмм. Сложение взаимно-перпендикулярных
колебаний.
Динамика материальной точки. Первый закон Ньютона. Инерциальные
системы отсчета. Взаимодействие тел. Масса, импульс, сила. Второй закон
Ньютона. Принцип суперпозиции сил. Третий закон Ньютона. Система
физических величин. Силы в природе. Гравитационная сила. Вес тела.
Невесомость. Упругие силы. Силы трения. Принцип относительности
Галилея. Преобразования Галилея. Работа силы, мощность, кинетическая
энергия. Потенциальные и не потенциальные силы. Потенциальная энергия.
Связь между силой и потенциальной энергией. Сохранение полной
механической энергии материальной точки в поле потенциальных сил.
Момент импульса материальной точки. Момент силы. Центральные силы.
Сохранение момента импульса. Движение материальной точки в поле
центральных сил. Границы применимости механики Ньютона.
Динамика системы материальных точек, законы сохранения Система
материальных точек. Силы внешние и внутренние. Замкнутая система. Центр
масс. Законы изменения и сохранения импульса и момента импульса
системы материальных точек. Реактивное движение. Энергия системы
материальных точек. Теорема об изменении энергии системы материальных
точек. Закон сохранения механической энергии в консервативной системе.
Применение законов сохранения к анализу упругого и неупругого
соударений.
Механика твердого тела. Поступательное и вращательное движение
твердого тела. Модель абсолютно твердого тела. Понятие о степенях свободы
и связях. Плоское движение твѐрдого тела. Уравнения движения твѐрдого
тела при плоском движении. Качение тел. Трение качения. Вращение
относительно неподвижной оси. Момент импульса, момент инерции и
момент силы относительно оси. Уравнение моментов. Теорема Штейнера.
Свободные оси. Мгновенные оси вращения.
Закон изменения и сохранения момента импульса твердого тела.
Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Понятие о вращении
тела вокруг неподвижной точки, гироскоп. Свободное движение твердого
тела. Условия равновесия твердого тела. Виды равновесия.
Механика упругих тел. Виды упругих деформаций. Закон Гука. Модули
упругости. Пределы упругости и прочности. Потенциальная энергия упруго
деформированного тела.
Механика жидкостей и газов. Давление. Распределение давления в
покоящихся жидкостях и газах. Закон Паскаля. Сила Архимеда. Условия
плавания тел. Идеальная жидкость. Уравнение непрерывности струи.
Уравнение движения для идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.
Формула Торричелли. Реакция вытекающей струи. Вязкая жидкость. Жидкое
трение. Ламинарное и турбулентное течения. Движение тел в вязкой
жидкости: сила лобового сопротивления и подъѐмная сила.
Движение в неинерциальных системах отсчета (НИСО). Неинерциальные
системы отсчѐта. Силы инерции в прямолинейно движущейся и равномерно
вращающейся НИСО. Сила Кориолиса. Проявление сил инерции на Земле.
Маятник Фуко.
Основы специальной теории относительности (СТО). Постулаты СТО.
Системы отсчета в СТО. Синхронизация часов. Относительность
одновременности. Преобразования Лоренца и их следствия. Относительность
отрезков длины и промежутков времени. Собственное время. Релятивистский
закон преобразования скоростей. Релятивистская форма второго закона
Ньютона. Связь массы и энергии. Законы сохранения энергии и импульса в
СТО.
Колебания и волны. Упругие и квазиупругие силы. Собственные колебания.
Уравнения движения простейших механических колебательных систем без
трения. Энергия колебательной системы. Свободные колебания. Уравнение
движения колебательных систем с жидким трением. Коэффициент затухания,
логарифмический декремент, добротность. Вынужденные колебания.
Резонанс. Понятие об автоколебаниях.
Волны в сплошной среде. Продольные и поперечные волны. Волновое
уравнение. Плоская гармоническая бегущая волна. Энергия бегущей волны.
Поток энергии. Вектор Умова. Интенсивность волны. Стоячая волна.
Энергетические соотношения в стоячей волне.
Элементы акустики. Звук. Источники и приемники звука. Голосовой и
слуховой аппараты человека. Объективные и субъективные характеристики
звука. Эффект Доплера в акустике. Ультразвук и инфразвук.
Всемирное тяготение. Законы Кеплера. Закон тяготения Ньютона.
Измерение постоянной тяготения. Тяжелая и инертная массы. Принцип
эквивалентности. Понятие о поле тяготения. Напряженность и потенциал
поля тяготения. Теорема Гаусса для поля тяготения. Первая, вторая и третья
космические скорости.
2. Электродинамика
Введение. Предмет электродинамики.
Электростатическое поле в вакууме. Электрический заряд. Дискретность
заряда. Элементарный заряд. Закон сохранения заряда. Взаимодействие
неподвижных зарядов. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность
электрического поля. Принцип суперпозиции. Поле неподвижного точечного
заряда. Поле непрерывно распределенного заряда. Поле диполя. Диполь в
однородном и неоднородном электростатическом поле. Теорема Гаусса в
электростатике. Работа поля при перемещении заряда. Потенциал
электростатического поля и его связь с напряженностью поля. Потенциал
поля точечного заряда, системы точечных зарядов. Потенциал непрерывно
распределенного заряда.
Электростатическое поле при наличии проводников. Заряженные
проводники и проводники во внешнем электростатическом поле.
Распределение зарядов в проводнике. Эквипотенциальность проводника.
Напряженность поля у поверхности проводника. Метод зеркальных
изображений. Электростатическая защита. Электроемкость уединенного
проводника. Конденсаторы. Соединение конденсаторов.
Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Поляризация
диэлектриков. Полярные и неполярные молекулы. Вектор поляризации.
Вектор электрической индукции. Диэлектрическая проницаемость и
восприимчивость. Электрическое поле на границе двух диэлектриков.
Теорема Гаусса для поля в диэлектрике. Сегнетоэлектрики. Пьезоэлектрики.
Электреты. Энергия взаимодействия зарядов и энергия электростатического
поля. Энергия взаимодействия точечных зарядов и непрерывно
распределенных зарядов. Энергия заряженного проводника и заряженного
конденсатора. Энергия и плотность энергии электростатического поля.
Постоянный электрический ток. Электрический ток. Закон Ома для
участка цепи. Сопротивление проводника. Дифференциальная форма закона
Ома. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Источники тока. Закон Ома
для участка, содержащего ЭДС, и для замкнутой цепи. Закон Джоуля-Ленца.
Дифференциальная
форма
закона
Джоуля-Ленца.
Разветвлѐнные
электрические цепи. Правила Кирхгофа. Методы расчета электрических
цепей.
Электропроводность твердых тел. Природа тока в металлах. Опыты
Мандельштама и Папалекси, Толмена и Стюарта. Классическая теория
электропроводности металлов. Зависимость сопротивления металлов от
температуры. Понятие о сверхпроводимости. Контактные явления.
Проводимость полупроводников. p-n переход. Полупроводниковый диод.
Транзистор.
Электрический ток в электролитах. Электрическая диссоциация. Законы
Фарадея. Определение заряда иона. Гальванические элементы.
Электрический ток в газах и в вакууме. Природа тока в газах. Процессы
ионизации и рекомбинации. Самостоятельный и несамостоятельный разряды
в газе. Виды самостоятельного разряда (тлеющий, дуговой, искровой и
коронный). Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы (диод, триод).
Постоянное магнитное поле в вакууме. Взаимодействие постоянного
магнита и тока. Сила Ампера. Взаимодействие токов. Сила Лоренца.
Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Виток с током в однородном и
неоднородном магнитных полях. Закон Био-Савара-Лапласа. Закон полного
тока. Магнитное поле прямого и кругового токов. Магнитное поле длинного
соленоида. Магнитный момент витка с током. Движение заряда в постоянных
электрическом и магнитном полях. Определение удельного заряда электрона.
Эффект Холла.
Магнитное поле в магнетиках. Парамагнетики и диамагнетики.
Намагничивание магнетиков. Вектор намагниченности. Напряженность
магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость.
Закон полного тока в магнетиках. Объяснение диамагнетизма. Объяснение
парамагнетизма по Ланжевену. Ферромагнетики и их основные свойства.
Магнитный гистерезис. Магнитомеханические явления.
Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея. Магнитный поток. Закон
электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца. Самоиндукция.
Взаимная индукция. ЭДС самоиндукции. Индуктивность проводника и
взаимная индуктивность. Трансформатор. Работа силы Ампера.
Электродвигатель. Электроизмерительные приборы. Энергия взаимодействия
токов. Энергия и плотность энергии магнитного поля.
Электромагнитное поле. Магнитоэлектрическая индукция. Вихревое
электрическое поле. Ток смещения. Опыты Роуланда и Эйхенвальда.
Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах.
Относительность электрического и магнитного полей.
Квазистационарные электрические цепи. Электромагнитные колебания.
Условия квазистационарности. Переменный ток. Действующие значения
напряжения и силы тока. Сопротивление в цепи переменного тока. Скинэффект. Индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Закон Ома для
цепи переменного тока. Метод комплексных амплитуд. Работа и мощность
переменного тока. Колебательный контур. Собственные колебания. Формула
Томсона. Свободные колебания. Добротность колебательного контура.
Вынужденные колебания. Резонанс токов и напряжений. Электрические
автоколебания.
Электромагнитные волны. Электромагнитное поле в отсутствии
свободных зарядов. Волновое уравнение. Плоские электромагнитные волны.
Плотность энергии электромагнитного поля в вакууме. Поток энергии.
Вектор Пойнтинга. Понятие об импульсе электромагнитного поля. Опыты
Лебедева.
Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца. Принципы радиосвязи и
радиолокации. Шкала электромагнитных волн.
3. Оптика
Введение. Предмет оптики.
Основы электромагнитной теории света. Электромагнитная природа света.
Источники и приемники света. Описание световых волн на временном и
спектральном
языках.
Квазимонохроматический
свет.
Линейно,
эллиптически и циркулярно поляризованный свет. Естественный свет.
Фотометрия.
Интерференция
света.
Явление
интерференции.
Временная
и
пространственная когерентность волн. Методы получения когерентных
источников света. Двухлучевые интерференционные схемы. Интерференция
в тонких пленках. Многолучевая интерференция. Интерферометры.
Интерференционные фильтры. Просветление оптики.
Дифракция света. Явление дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля.
Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Метод зон Френеля. Дифракция
Френеля. Дифракция на круглом отверстии, круглом экране, на краю
полубесконечного экрана. Зонная пластинка. Линза как фазовая зонная
пластинка. Дифракции Фраунгофера. Дифракционная решетка. Дифракция и
спектральный
анализ.
Дисперсия
и
разрешающая
способность
дифракционной решѐтки. Критерий Рэлея.
Дифракция на многомерных структурах. Дифракция рентгеновских лучей
на кристаллах. Условие Вульфа-Брегга. Дифракционная природа оптического
изображения. Опыты Аббе. Понятие о голографии.
Геометрическая оптика. Объяснение прямолинейного распространения
света на основе волновой теории. Понятие светового луча. Принцип Ферма.
Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение.
Призмы, плоские зеркала. Световоды. Преломление и отражение света на
сферической границе двух сред. Тонкие линзы. Формула линзы.
Сферические зеркала. Построение изображений в тонких линзах и
сферических зеркалах. Яркость и освещенность оптических изображений.
Аберрации линз и зеркал, способы их устранения. Центрированные
оптические системы. Глаз как оптическая система. Оптические инструменты.
Лупа.
Увеличение
лупы.
Микроскоп.
Увеличение
микроскопа.
Телескопические системы Кеплера и Галилея. Увеличение телескопа.
Проекционные приборы. Разрешающая способность телескопа, микроскопа.
Поляризация света. Поляризаторы и анализаторы. Закон Малюса.
Отражение и преломление света на границе раздела изотропных
диэлектриков. Формулы Френеля. Закон Брюстера. Распространение света в
анизотропной среде. Двойное лучепреломление. Построение ГюйгенсаФренеля для одноосного кристалла. Пластинки “в четверть волны” и “в
полволны”. Анализ поляризованного света. Интерференция поляризованного
света. Искусственная анизотропия. Вращение плоскости поляризации.
Дисперсия и поглощение света. Явление дисперсии света. Фазовая и
групповая скорости света. Нормальная и аномальная дисперсия. Поглощение
света веществом. Электронная теория дисперсии и поглощения. Рассеяние
света. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах. Закон Рэлея.
Цвет неба. Цвет тел. Оптические явления в атмосфере.
Нелинейные оптические явления. Явления самофокусировки и
самодифракции света. Генерация кратных, суммарных и разностных
гармоник.
Релятивистские эффекты в оптике. Опыты по определению скорости
света. Экспериментальные основы СТО. Эффект Доплера в оптике.
Излучение Вавилова – Черенкова.
4. Квантовая физика
Введение. Предмет квантовой физики.
Квантовые свойства излучения. Фотоэлектрический эффект. Фотоны.
Уравнение Эйнштейна. Давление света с квантовой точки зрения. Тормозное
рентгеновское излучение. Эффект Комптона. Опыт Боте.
Тепловое излучение конденсированных сред. Закон Кирхгофа. Абсолютно
черное тело. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного
тела. Формулы Рэлея-Джинса и Вина. Закон смещения Вина. Закон СтефанаБольцмана. Формула Планка. Оптические пирометры. Флуктуации светового
потока. Волны и кванты. Двойственность представлений о свете.
Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де-Бройля. Дифракция
микрочастиц. Состояния микрочастиц. Волновая функция. Принцип
суперпозиции в квантовой механике. Соотношения неопределенностей.
Измерение физических величин в квантовой механике. Принцип
дополнительности. Уравнение Шредингера. Стационарные состояния и их
свойства. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Состояния с
непрерывным спектром энергии (свободная частица, частица в поле
потенциальной ступеньки и потенциального барьера). Туннельный эффект.
Электронный микроскоп. Туннельный микроскоп. Состояния с дискретным
спектром энергии. Потенциальный ящик. Линейный гармонический
осциллятор. Потенциальная яма конечной глубины. Квантование энергии.
Нулевая энергия. Связь энергетического спектра с видом потенциала.
Принцип соответствия. Двойственность представлений о веществе.
Корпускулярно-волновой дуализм.
Физика атомов и молекул. Основные экспериментальные данные о
строении атома. Опыты Резерфорда. Линейчатые спектры атомов. Опыты
Франка и Герца. Модель атома водорода Бора-Резерфорда. Квантование
момента импульса. Спин электрона. Магнитный момент электрона. Опыты
Штерна и Герлаха. Одноэлектронный атом. Квантовые числа электрона в
атоме водорода. Спектр атома водорода. Многоэлектронные атомы.
Состояние электрона в многоэлектронном атоме. Принцип Паули.
Электронные оболочки. Периодическая система элементов Менделеева.
Спектры многоэлектронных атомов. Характеристические рентгеновские
спектры. Закон Мозли. Водородоподобные спектры. Спин-орбитальное
взаимодействие. Дублеты щелочных металлов. Природа химической связи.
Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света. Люминесценция.
Спонтанное и вынужденное излучения. Усиление и генерация света. Лазеры.
Атом в поле внешних сил. Эффект Зеемана. Электронный парамагнитный
резонанс.
Физика
атомного
ядра.
Естественная
радиоактивность.
Закон
радиоактивного распада. Экспериментальные методы ядерной физики;
счетчики частиц, трековые камеры, фотоэмульсии, масспектрографы,
ускорители заряженных частиц. Свойства атомных ядер. Состав ядра.
Нуклоны. Нуклон-нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил. Заряд
и массовое число ядра. Энергия связи ядра. Изотопы. Искусственные
превращения ядер. α- и β-распады, γ-излучение. Взаимодействие ядерного
излучения с веществом. Трансурановые элементы. Оболочечная и капельная
модели ядра. Деление ядер. Ядерные реакции. Цепная реакция. Ядерные
реакции на тепловых и быстрых нейтронах. Реакция синтеза, проблема
управляемого термоядерного синтеза.
Физика элементарных частиц. Эксперименты в физике высоких энергий.
Классификация элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия.
Взаимодействие элементарных частиц и законы сохранения. Дискретные
симметрии. Частицы и античастицы. Барионы и мезоны. Резонансы.
Кварковая модель строения адронов. Космические лучи.
Фундаментальные частицы. Частицы участники и частицы переносчики
взаимодействий. Обменный характер фундаментальных взаимодействий.
Объединение
взаимодействий.
Современные
астрофизические
представления. Темная энергия и темная материя.
5. Молекулярная физика
Введение. Предмет молекулярной физики.
Молекулярно кинетическая
теория
(МКТ)
вещества.
Экспериментальное обоснование молекулярно-кинетических представлений.
Макроскопическая система. Число Авогадро. Моль. Статистическое
описание макроскопических систем. Микросостояния и макросостояния.
Средние величины и флуктуации. Равновесные и неравновесные состояния;
время релаксации. Параметры макроскопической системы, задающие ее
равновесное состояние: объѐм, давление, температура. Измерение
температуры. Термометр. Уравнение состояния. Внутренняя энергия
макросистемы. Количество теплоты и работа. Теплоѐмкость. Энтропия количественная мера беспорядка в макросистеме. Взаимодействие
макросистемы с термостатом. Множитель Больцмана.
Идеальный газ. Модель идеального газа. Газовые законы. Основное
уравнение МКТ для идеального
универсальная газовая постоянная. Газовый термометр.
Распределение Максвелла. Экспериментальная проверка распределения
Максвелла. Равномерное распределение энергии хаотического движения
молекул газа по степеням свободы. Теплоѐмкость газа. Изопроцессы. .
Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Экспериментальная
проверка распределения Больцмана. Определение постоянной Авогадро.
Функции распределения по энергиям для идеального газа из квантовых
частиц. Квантовые статистики.Статистические распределения ФермиДирака и Бозе – Эйнштейна. Фотонный газ. Статистическая теория
равновесного излучения. Определение числа степеней свободы для поля
излучения в полости. Вывод законов Рэлея - Джинса и Планка. Уравнение
состояния для равновесного излучения.
Основы термодинамики. Первое начало термодинамики. Внутренняя
энергия как функция состояния. Квазистатические процессы. Количество
теплоты и работа как функции процесса. Необратимые и обратимые
процессы. Энтропия как функция состояния и ее связь с теплотой для
обратимых процессов. Второе начало термодинамики. Циклические
процессы. Тепловая и холодильная машины. КПД тепловой машины. Цикл
Карно.
Термодинамическая
шкала
температур.
Третье
начало
термодинамики. Недостижимость абсолютного нуля.
Реальные газы и жидкости. Отступления реальных газов от законов
идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа.
Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа и его
теплоемкость. Эффект Джоуля - Томсона. Сжижение газов и получение
низких температур. Фазовые переходы первого и второго рода.. Равновесие
жидкости и пара. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Испарение и
конденсация. Перегретая жидкость и переохлажденный пар. Кипение.
Свойства жидкого состояния. Поверхностные явления в жидкостях.
Поверхностный слой. Поверхностное натяжение. Смачивание. Формула
Лапласа. Капиллярные явления. Осмотическое давление. Растворы.
Явления переноса. Диффузия и теплопроводность. Вязкость (внутреннее
трение). Столкновения молекул. Характеристики соударений; сечение
рассеяния, средняя длина свободного пробега молекул. Связь между
кинетическими коэффициентами. Кинетические явления в разреженных
газах. Технический вакуум.
Понятие о плазме. Плазма. Методы получения и основные характеристики
плазмы. Экспериментальные методы определения параметров плазмы.
Поведение плазмы в электрическом и магнитном полях. Применение плазмы.
Твердые тела. Аморфные и кристаллические тела. Квазикристаллы.
Кристаллические решетки. Анизотропия свойств кристаллов. Дефекты и
дислокации. Механические свойства кристаллов. Тепловое расширение
кристаллов. Теплоемкость кристаллической решѐтки. Закон Дюлонга и Пти.
Теории
теплоѐмкости
Эйнштейна
и
Дебая.
Теплопроводность
диэлектрических кристаллов. Плавление и кристаллизация. Диаграмма
равновесия твѐрдой, жидкой и газовой фаз. Тройная точка. Жидкие
кристаллы.
Электроны в твердых телах. Зонная теория твердых тел. Уровень Ферми.
Энергия Ферми. Теория электропроводности в металлах и полупроводниках.
Теплопроводность и теплоѐмкость металлов. Сверхпроводимость и
сверхтекучесть и их квантовая природа.
Самоорганизующиеся системы. Устойчивые состояния неравновесных
систем. Самоорганизация в больших системах. Ячейки Бенара. Реакция
Белоусова - Жаботинского. Детерминированный хаос. Эволюция
неравновесных систем.
6. Заключение. Современная физическая картина мира.
Основная литература:
1. Д.В. Сивухин. Общий курс физики, т.1-5, М., Физматлит, 2006г.
2. С.Г. Калашников. Электричество. М., Физматлит. 2008.
3. Г.С. Ландсберг. Оптика. М., Наука, 2006.
4. И.Е. Иродов. Основные законы физики. М.-С.- П.,Физматлит. 2006.
Дополнительная литература:
1. В.А. Алешкевич,Л.Г.Деденко,В.А.Караваев. Механика. М.,Академия,2004.
2. Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, А.Н. Мансуров. Курс общей физики.т.1-4.
М., Академия, 2000-2002.
3. И.В. Савельев. Курс общей физики, т. 1-5, М., Астрель,2004- 2005.
4. С.Э. Хайкин. Физические основы механики. М., Наука, 1979.
5. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. Курс физики. М. Высшая школа, 1989.
6. Берклеевский курс физики.т1-4 М.:Наука, 1983.
7. Р. Фейнман,Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике, т. 1-9.
М., Мир,1978.
8. С.А. Ахманов. С.Ю. Никитин. Физическая оптика. М. Изд-во Моск. Унта,1998.
9. Л.Л. Гольдин, Г.Н. Новикова, Введение в квантовую физику. М. Наука,
1988.
10. Т.И.Трофимова. Курс физики. М.: Издательский Центр «Академия», 2006.